(57)【要約】【課題】二足ロボットの歩行時、膝を最大限に伸ばして腰の動きを最小化し、人間の歩行パターンと最大限に類似した歩行パターンを生成するロボット及びその歩行制御方法を提供する。【解決手段】歩行パターンを生成し、前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算し、前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記歩行パターンを変更することを含んでロボットの歩行制御方法を構成する。【選択図】図４
2010000594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行パターンを生成する段階と、
前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する段階と、
前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記歩行パターンを変更する段階と
を有するロボットの歩行制御方法。
【請求項２】
前記歩行パターンを生成する段階は、歩行命令によって前記ロボットの重心（ＣＯＧ）とゼロモーメント位置（ＺＭＰ）とに基づいたＺＭＰ方程式を満足する歩行パターンを生成する請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
【請求項３】
前記歩行パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための計算値である請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
【請求項４】
前記基準パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが前記人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための基準値である請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
【請求項５】
前記歩行パターンを変更する段階は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの膝角度を調整し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更する請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
【請求項６】
前記歩行パターンを変更する段階は、前記ロボットの歩行位相が両足支持位相（ＤＳＰ）である場合、前側に位置する脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更する請求項５に記載のロボットの歩行制御方法。
【請求項７】
前記歩行パターンを変更する段階は、前記ロボットの歩行位相が一足支持位相（ＳＳＰ）である場合、スイングする脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更する請求項５に記載のロボットの歩行制御方法。
【請求項８】
前記歩行パターンを変更する段階は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの腰変動を最小化し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更する請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
【請求項９】
前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きい場合、前記歩行パターンによって前記ロボットの歩行を制御する段階をさらに有する請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
【請求項１０】
歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、
前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する歩行パターン類似度計算部と、
前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記歩行パターンを変更し、前記歩行パターンによって歩行を制御する制御部と
を具備するロボット。
【請求項１１】
前記制御部は、前記変更された歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を前記基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記歩行パターンの変更または前記ロボットの歩行可否を決定する請求項１０に記載のロボット。
【請求項１２】
前記制御部は、前記ロボットの膝角度を調整し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更する請求項１０に記載のロボット。
【請求項１３】
前記制御部は、前記ロボットの歩行位相が両足支持位相（ＤＳＰ）である場合、前側に位置する脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更する請求項１２に記載のロボット。
【請求項１４】
前記制御部は、前記ロボットの歩行位相が一足支持位相（ＳＳＰ）である場合、スイングする脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更する請求項１２に記載のロボット。
【請求項１５】
前記制御部は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの腰変動を最小化し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更する請求項１０に記載のロボット。
【請求項１６】
胴体、上部リンク、下部リンク、膝関節を含み、前記それぞれの上部リンクと下部リンクとの間に可変角を生成する下体と、
前記胴体と下体との間に設置され水平に移動する腰と、
前記膝関節の可変角を増加させて前記腰の水平動作を減少させることで以前の歩行パターンと違う以後の歩行パターンを生成する歩行パターン変更部と
を具備するロボット。
【請求項１７】
以前の歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、
前記以前の歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する歩行パターン類似度計算部と、
前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較する制御部と
を具備し、
前記歩行パターン変更部は、前記基準パターン類似度に対応しない前記歩行パターン類似度によって以後の歩行パターンを生成する請求項１６に記載のロボット。
【請求項１８】
歩行パターンを生成する段階と、
前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する段階と、
前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記歩行パターンを変更する段階と
を実行するコンピュータープログラムを備えるコンピューター判読記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット及びその歩行制御方法に関するものであり、より詳細には、二足ロボットの歩行時、人間と最大限に類似した歩行パターンを生成するためのロボット及びその歩行制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ロボットは、電気的または磁気的な作用を用いて人間の動作と類似した運動を行う機械装置をいう。初期のロボットは、生産現場での作業自動化・無人化などを目的にしたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボットであったが、近年は、人間と類似した関節体系を有して人間の作業及び生活空間を容易に二足で歩ける二足歩行ロボット（以下、二足ロボットという）に対する研究開発が活発に進められている。
現在、ほとんどの二足ロボットは、膝を曲げて、腰を底面と平行な平面上のみで動かしながら歩行するパターンを有する。その理由は、膝を１８０度に近く伸ばす場合、特異点（Ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ  ｐｏｓｅ）（足首関節とヒップ関節を連結する相対距離が脚の長さと同じである場合）が発生し、膝関節速度が非常に速くなったり、所望の膝関節角を得られなかったりするためであり、歩行パターンを得るためのゼロモーメント位置（Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ；以下、ＺＭＰという）の拘束条件が底面と平行に動くロボットの重心（Ｃｅｎｔｅｒ  Ｏｆ  Ｇｒａｖｉｔｙ：以下、ＣＯＧという）を仮定しているためである（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】S. Kajita et al., "Biped Walking Pattern Generation by using Preview Control of Zero-Moment Point", ICRA2003, pp1620-1626
【非特許文献２】Y. Ogura et al., "Human-like Walking with Knee Stretched, Heel-contact and Toe-off Motion by a Humanoid Robot", IROS06, pp3976-3981
【非特許文献３】W. Kwon et al., "Biped Humanoid Robot Mahru III", IEEE/RAS Humanoids2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような歩行パターンは、膝が多く曲げられた状態で腰が一定の高さを維持して左右に動く形態であるので、人間の歩行パターンと相当に異なる。
このような歩行パターンを克服して人間型歩行を具現するために、早稲田大学では、既存の典型的なヒューマノイド歩行パターンと異なり、膝を伸ばして足首を回転する方式を導入した（非特許文献２参照）が、この方式も、人間型歩行との類似性のための別途の制御を考慮しておらず、直観的に膝角度のみを伸ばすことを目標とするので、膝を伸ばす時点の不適切さと腰の揺動などによって、人間の歩行パターンとは依然として異なる。このようにロボットが人間と異なる形態で歩くようになると、人間との親和性が落ちることはもちろんのこと、エネルギー効率性が低下するという結果をもたらす。さらに、これは、将来、ロボットが人間と共存すべき環境における二足ロボットの普及に障害となり得る。
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためのものであり、その目的は、二足ロボットの歩行時、膝を最大限に伸ばして腰の動きを最小化し、人間の歩行パターンと最大限に類似した歩行パターンを生成するロボット及びその歩行制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明のロボットの歩行制御方法は、歩行パターンを生成する段階と、前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する段階と、前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記歩行パターンを変更する段階とを有する。
【０００６】
前記歩行パターンを生成する段階は、歩行命令によって前記ロボットの重心（ＣＯＧ）とゼロモーメント位置（ＺＭＰ）とに基づいたＺＭＰ方程式を満足する歩行パターンを生成することを特徴とする。
前記歩行パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための計算値であることを特徴とする。
前記基準パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが前記人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための基準値であることを特徴とする。
前記歩行パターンを変更する段階は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの膝角度を調整し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
【０００７】
前記歩行パターンを変更する段階は、前記ロボットの歩行位相が両足支持位相（ＤＳＰ）である場合、前側に位置する脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記歩行パターンを変更する段階は、前記ロボットの歩行位相が一足支持位相（ＳＳＰ）である場合、スイングする脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記歩行パターンを変更する段階は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの腰変動を最小化し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
また、本発明のロボットの歩行制御方法は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きい場合、前記歩行パターンによって前記ロボットの歩行を制御する段階をさらに有する。
【０００８】
そして、本発明のロボットは、歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する歩行パターン類似度計算部と、前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記歩行パターンを変更し、前記歩行パターンによって歩行を制御する制御部とを具備する。
【０００９】
前記制御部は、前記変更された歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を前記基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記歩行パターンの変更または前記ロボットの歩行可否を決定することを特徴とする。
前記制御部は、前記ロボットの膝角度を調整し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記制御部は、前記ロボットの歩行位相が両足支持位相（ＤＳＰ）である場合、前側に位置する脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記制御部は、前記ロボットの歩行位相が一足支持位相（ＳＳＰ）である場合、スイングする脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記制御部は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの腰変動を最小化し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるロボット及びその歩行制御方法は、二足ロボットの歩行時、人間歩行類似度（Ｈｕｍａｎ−Ｌｉｋｅ  Ｗａｌｋｉｎｇ  Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ  Ｍｅａｓｕｒｅ）によって膝を最大限に伸ばして腰の水平動作を最小化する歩行パターンを生成し、ロボットの歩行パターンを人間の歩行パターンと最大限に類似にすることで、人間との親和性を改善し、エネルギー効率性を増加させることができる。さらに、このような結果により、ロボットが人間と共存すべき環境における二足ロボットの普及を促進できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態によるロボットの外観構成図である。
【図２】図１に示したロボットの主要関節構造を示した図である。
【図３】本発明の実施形態によるロボットのＺＭＰ軌跡を示した図である。
【図４】本発明の実施形態によるロボットの歩行制御ブロック図である。
【図５】本発明の実施形態によるロボットの歩行制御方法を示した動作フローチャートである。
【図６】本発明の実施形態によるロボットと人間の歩行パターンを比較するための座標系を示した図である。
【図７】本発明の実施形態によるロボットと人間の軌跡を比較した例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を添付された図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態によるロボットの外観構成図である。
図１において、本発明のロボット１０は、人間と同様に、二つの脚１１Ｒ，１１Ｌによって直立移動する二足歩行ロボットとして、胴体１２、胴体１２の上部に設けられた二つの腕１３Ｒ，１３Ｌ及び頭１４を備えており、二つの脚１１Ｒ，１１Ｌと腕１３Ｒ，１３Ｌの先端には、それぞれ足１５Ｒ，１５Ｌと手１６Ｒ，１６Ｌを備えている。図中、参照符号ＲとＬは、ロボット１０の右側と左側を示し、ＣＯＧは、ロボット１０の重心位置を示し、ＺＭＰは、ロボット１０と底面との接触面でロール方向（ロボットの歩行進行方向であるｘ軸方向）とピッチ方向（ロボットの左右歩幅方向であるｙ軸方向）のモーメントが０になる点を示す。
【００１３】
図２は、図１に示したロボットの主要関節構造を示した図である。
図２において、二つの脚１１Ｒ，１１Ｌは、ロボット１０の足首、膝及びヒップに該当する部分を回転させるための足首関節１７Ｒ，１７Ｌ、膝関節１８Ｒ，１８Ｌ及びヒップ関節１９Ｒ，１９Ｌをそれぞれ備えており、ヒップ関節１９Ｒ，１９Ｌは、二つの脚１１Ｒ，１１Ｌと連結される胴体１２の下側の両端に位置する。
各脚１１Ｒ，１１Ｌの足首関節１７Ｒ，１７Ｌは、ｘ軸（ロール軸；ロボットの歩行進行方向）とｙ軸（ピッチ軸；左右歩幅方向）に動作可能であり、膝関節１８Ｒ，１８Ｌはｙ軸（ピッチ軸）に動作可能であり、ヒップ関節１９Ｒ，１９Ｌは、ｘ軸（ロール軸）、ｙ軸（ピッチ軸）及びｚ軸（ヨー軸）に動作可能である。
【００１４】
また、二つの脚１１Ｒ，１１Ｌは、ヒップ関節１９Ｒ，１９Ｌと膝関節１８Ｒ，１８Ｌを連結する上部リンク２０Ｒ，２０Ｌと、膝関節１８Ｒ，１８Ｌと足首関節１７Ｒ，１７Ｌを連結する下部リンク２１Ｒ，２１Ｌとをそれぞれ含み、各関節１７Ｒ，１７Ｌ，１８Ｒ，１８Ｌ，１９Ｒ，１９Ｌ、２２の動作によって一定水準の自由度を有する歩行が可能になる。各脚１１Ｒ，１１Ｌの足首には、力／トルク測定センサー２２Ｒ，２２Ｌ（Ｆｏｒｃｅ  ａｎｄ  Ｔｏｒｑｕｅ  ｓｅｎｓｏｒ；以下、Ｆ／Ｔセンサーという）が設置され、力／トルク測定センサー２２Ｒ，２２Ｌは、足１５Ｒ，１５Ｌから伝達される力の３方向成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）とモーメントの３方向成分（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定し、ＺＭＰ情報を提供する。
そして、二つの脚１１Ｒ，１１Ｌと連結される胴体１２には、ロボット１０の腰に該当する部分を回転させるための腰関節２３が備わり、腰関節２３は、胴体１２の下側の両端に位置したヒップ関節１９Ｒ，１９Ｌを連結するヒップリンク２４の中心位置２４Ｇと同一軸線上に位置する。
図面に示していないが、ロボット１０の全ての関節１７Ｒ，１７Ｌ，１８Ｒ，１８Ｌ，１９Ｒ，１９Ｌ，２２は、駆動のためのアクチュエーター（例えば、モーターなどの電動装置）をそれぞれ含んでいる。
【００１５】
図３は、本発明の実施形態によるロボットのＺＭＰ軌跡を示した図であり、ロボット１０の歩行進行方向（ｘ軸方向）と左右歩幅方向（ｙ軸方向）に対するＺＭＰ軌跡をｘ−ｙ平面上に示した図である。
図３において、Ｂは、歩幅の半分を示している。
図３から分かるように、ロボット１０の安定的な歩行を実現するためには、底平面でモーメントの合計が０になる地点、すなわち、両足を踏み出す各地点を予め決定すべきであり、両足支持位相（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓｕｐｐｏｒｔ  Ｐｈａｓｅ；以下、ＤＳＰという）／一足支持位相（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｓｕｐｐｏｒｔ  Ｐｈａｓｅ；以下、ＳＳＰという）のような支持状態を予め決定するＺＭＰ軌跡を設定すべきである。
一般的に、ロボット１０の足を踏み出す各地点は周期関数で表現され、各支持状態は、ＺＭＰを移動させるときに用いられる。ＳＳＰ状態では、移動脚が一歩踏み出す間に、ＺＭＰは支持脚の足の裏内部に留まっているべきである。また、ＤＳＰ状態では、ＺＭＰが支持脚の足の裏内部から移動脚の足の裏内部に迅速に移動されるべきである。ロボット１０の連続的かつ安定した歩行のためには、上記の過程が繰り返して行われるべきである。
【００１６】
図４は、本発明の実施形態によるロボットの歩行制御ブロック図であり、ロボット１０は、歩行パターン生成部５０、歩行パターン類似度計算部５２、比較部５４、歩行パターン変更部５６、歩行制御部６０、アクチュエーター６２及び実時間安定化器６４を含んで構成される。
歩行パターン生成部５０は、ロボット１０が目的とする歩行速度、歩行数及び歩幅などの歩行命令が与えられると、与えられた歩行命令によって歩行パターンを生成するものであり、本発明の歩行パターン生成過程は、従来の歩行パターン生成過程と同一に進行される。
これをさらに詳細に説明すると、歩行速度、歩行数及び歩幅などの歩行命令が与えられると、両足１５Ｒ，１５Ｌ（左足と右足）の目標位置と方向を決定し、これに基づいて時間に対する両足１５Ｒ，１５Ｌの位置と方向軌跡を形成する歩行パターンを生成するために、ＣＯＧとＺＭＰとの間のＺＭＰ方程式を満足するＣＯＧのパターンを求める（非特許文献１参照）。
ＺＭＰとＣＯＧは、運動力学方程式によって下記の［式１］のような関係を有し、この式をＺＭＰ方程式という。
【００１７】
【数１】
2010000594.tif 000003
【００１８】
ここで、ｘ、ｙは、ロボット１０の歩行進行方向（ｘ軸方向）と左右歩幅方向（ｙ軸方向）に対するＣＯＧパターンであり、ｐｘ、ｐｙは、ロボット１０の歩行進行方向（ｘ軸方向）と左右歩幅方向（ｙ軸方向）に対するＺＭＰ軌跡であり、ｚｃは、拘束平面のＣＯＧ高さであり、ｇは、重力加速度である。
ＺＭＰ基盤の歩行制御は、上記の［式１］を満足するＺＭＰがロボット１０の支持多角形（Ｓｕｐｐｏｒｔ  Ｐｏｌｙｇｏｎ）内にある場合に倒れない点を用いて、この領域内にＺＭＰを維持するようにロボット１０の姿勢を制御しながらＺＭＰ方程式を満足する歩行パターンを生成する方法である（非特許文献３参照）。
【００１９】
歩行パターン類似度計算部５２は、ＺＭＰ方程式を満足する歩行パターンが生成されると、予め定義された人間歩行類似度（Ｈｕｍａｎ−Ｌｉｋｅ  Ｗａｌｋｉｎｇ  Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ  Ｍｅａｓｕｒｅ；以下、ＨＳＭという）方式によって歩行パターン生成部５０で生成された歩行パターンが人間の歩行パターンとどの程度に類似しているかを判断するための歩行パターン類似度を計算する。
比較部５４は、歩行パターン類似度計算部５２で計算されたロボット１０の歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きいかをチェックする。これによって、ＺＭＰ方程式を満足する最大のＨＳＭを有する歩行パターンを得ることができ、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンとロボット１０の対象歩行パターンが類似しているほどＨＳＭの値が大きくなる。
【００２０】
歩行パターン変更部５６は、比較部５４の比較結果、歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きくない場合、ＨＳＭを最大化するために膝の角度を調整し、腰の変動を最小化する範囲で新しい歩行パターンを生成するものであり、膝を最大限に伸ばすために、歩行パターン生成部５０で生成された歩行パターンを第１歩行パターンに変更する第１歩行パターン変更部５７と、腰の変動（すなわち、水平動作）を最小限にするために、歩行パターン生成部５０で生成された歩行パターンを第２歩行パターンに変更する第２歩行パターン変更部５８とを含む。このように、歩行パターン変更部５６で変更された歩行パターンを介してロボット１０の安定化制御性を確保しながらも人間と最大限に類似した歩行パターンを有するようになるが、変更された歩行パターンは、常にＺＭＰ方程式を満足しなげればならない。
【００２１】
第１歩行パターン変更部５７は、ロボット１０の現在の歩行位相がＤＳＰである場合、歩行パターン類似度計算部５２で計算された歩行パターン類似度（ＨＳＭ）が大きくなる方向に、前側に位置する脚１１Ｒまたは１１Ｌの歩行パターンを変更する。例えば、前側に位置する脚１１Ｒまたは１１Ｌの膝角度を漸進的に増加または減少させる。
また、第１歩行パターン変更部５７は、ロボット１０の現在の歩行位相がＳＳＰである場合、歩行パターン類似度計算部５２で計算された歩行パターン類似度（ＨＳＭ）が大きくなる方向に、スイングする脚１１Ｒまたは１１Ｌまたは支持脚１１Ｒまたは１１Ｌの歩行パターンを変更する。例えば、スイングする脚１１Ｒまたは１１Ｌの膝角度を漸進的に増加または減少させる。
その後、各関節の位置、速度及び加速度を用いてＺＭＰを計算し、ＺＭＰが安全領域内にない場合、変更された膝角度を元の状態に復旧する。
第２歩行パターン変更部５８は、ＺＭＰ方程式でｘ＝０が歩行パターンのｘ軸振動の中心であると仮定したとき、｜ｘ｜を最小化しながらも支持多角形内に位置して安全性を保障できる目標ＺＭＰを計算し、計算された目標ＺＭＰからＺＭＰ方程式を満足する歩行パターンを生成する。
【００２２】
歩行制御部６０は、比較部５４の比較の結果、歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きい場合、歩行パターン生成部５０または歩行パターン変更部５６で生成された歩行パターン、すなわち、両足１５Ｒ，１５Ｌの位置／方向値を各関節１７Ｒ，１７Ｌ，１８Ｒ，１８Ｌ，１９Ｒ，１９Ｌ，２２の角度値に変換して求めた角度値で各関節１７Ｒ，１７Ｌ，１８Ｒ，１８Ｌ，１９Ｒ，１９Ｌ，２２のアクチュエーター６２を駆動し、与えられた歩行パターンによってロボット１０の歩行を行えるように両足１５Ｒ，１５Ｌと胴体１２の位置／方向を制御する。
実時間安定化器６４は、与えられた歩行パターンによってロボット１０が歩行する間に、実際のＺＭＰが目標ＺＭＰと異なるか、外乱（予想外に発生する接触や外部の力）が発生する場合にも、ロボット１０が倒れずに安定的に歩行を行えるように、与えられた歩行パターンを実時間で変更する。
【００２３】
以下、上記のように構成されたロボット及びその歩行制御方法の動作過程及び作用効果を説明する。
図５は、本発明の実施形態によるロボットの歩行制御方法を示した動作フローチャートである。
図５において、ロボット１０の歩行速度、歩行数及び歩幅などの歩行命令が与えられると（１００）、歩行パターン生成部５０では、両足１５Ｒ，１５Ｌ（左足と右足）の目標位置と方向を決定し、これに基づいて時間に対する両足１５Ｒ，１５Ｌの位置と方向軌跡を形成する歩行パターンを生成するために、ＣＯＧとＺＭＰとの間のＺＭＰ方程式を満足するＣＯＧのパターンを求める。
ＺＭＰ基盤の歩行制御は、ＺＭＰがロボット１０の支持多角形内にある場合に倒れない性質を用いて、この領域内にＺＭＰを維持するようにロボット１０の姿勢を制御しながらＺＭＰ方程式を満足する歩行パターンを生成する（１０２）。
【００２４】
ＺＭＰ方程式を満足する歩行パターンが生成されると、歩行パターン類似度計算部５２は、生成された歩行パターンに対応する歩行パターン類似度（ＨＳＭ）を下記のように計算する（１０４）。
本発明において、ロボット１０の歩行パターンが人間の歩行パターンとどの程度に類似しているかを判断するために使用されるＨＳＭは、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンとロボット１０の対象歩行パターンが類似しているほどその値が大きくなるように定義する。
人間の典型的な歩行パターンは、３次元モーションキャプチャー装備などを介して求めることができ、ロボット１０と同一の大きさ及び歩幅を有するようにスケールアップまたはスケールダウンして求める。
以下、ＨＳＭ定義の例をさらに具体的に説明する。
ＨＳＭ定義の最初の例として、下記の［式２］のように、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンとロボット１０の対象歩行パターンにおける該当時間の各主要地点（例えば、両側足首、両側膝、両側ヒップ、腰、…）の空間上での差に加重値を与えて、この値を二乗して加算した値の逆数として定義する。
【００２５】
【数２】
2010000594.tif 000004
【００２６】
［式２］において、歩行パターン座標の原点は、図６に示すように、ロボット１０と人間の歩行パターンを比較するための座標系で｛Ｂ｝座標系に設定することができる。
図６の左側は、歩行パターン生成部５０によって生成されたロボット１０の歩行パターンを座標系で示したものであり、図６の右側は、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンを座標系で示したものである。
ＨＳＭ定義の二番目の例として、下記の［式３］のように、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンとロボット１０の対象歩行パターンにおける歩行周期の開始時点から該当時点までの各主要地点（例えば、両側足首、両側膝、両側ヒップ、腰、…）の空間上での軌跡の相関係数値の平均として定義する。
【００２７】
【数３】
2010000594.tif 000005
【００２８】
［式３］を介してロボット１０と人間の軌跡を比較した例を図７に示した。
このように、定義されたＨＳＭを用いてロボット１０の歩行パターンが人間の歩行パターンとどの程度に類似しているかを判断するための歩行パターン類似度を計算し、ロボット１０の歩行パターンを決定する。
その後、比較部５４は、歩行パターン類似度計算部５２で計算されたロボット１０の歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きいかを判断する（１０６）。これは、ＺＭＰ方程式を満足する最大のＨＳＭを有する歩行パターンを得るためである。
【００２９】
段階１０６の判断の結果、ロボット１０の歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きくない場合、歩行パターン変更部５６は、ＨＳＭを最大化するために膝の角度を調整し、腰の変動を最小化する範囲で新しい歩行パターンを生成する。
まず、第１歩行パターン変更部５７は、ロボット１０の現在の歩行位相がＤＳＰである場合、歩行パターン類似度（ＨＳＭ）が大きくなる方向に、前側に位置する脚１１Ｒまたは１１Ｌの歩行パターンを変更する。例えば、前側に位置する脚１１Ｒまたは１１Ｌの膝角度を漸進的に増加または減少させ、膝を最大限に伸ばせる歩行パターンを生成する。
また、第１歩行パターン変更部５７は、ロボット１０の現在の歩行位相がＳＳＰである場合、歩行パターン類似度（ＨＳＭ）が大きくなる方向に、スイングする脚１１Ｒまたは１１Ｌまたは支持脚１１Ｒまたは１１Ｌの歩行パターンを変更する。例えば、スイングする脚１１Ｒまたは１１Ｌの膝角度を漸進的に増加または減少させ、膝を最大限に伸ばせる歩行パターンを生成する。その後、各関節の位置、速度及び加速度を用いてＺＭＰを計算し、ＺＭＰが安全領域内にない場合、変更された膝角度を元の状態に復旧する。
【００３０】
一方、第２歩行パターン変更部５８は、ＺＭＰ方程式でｘ＝０が歩行パターンのｘ軸振動の中心であると仮定したとき、｜ｘ｜を最小化しながらも支持多角形内に位置して安全性を保障できる目標ＺＭＰを計算し、計算された目標ＺＭＰからＺＭＰ方程式を満足する歩行パターンを生成し、腰の変動（すなわち、水平動作）を最小限にできる第２歩行パターンを生成する（１０８）。
このように変更された新しい歩行パターンを介してロボット１０の安定化制御性を確保し、人間と最大限に類似した歩行パターンを有するようになるが、変更された歩行パターンは、常にＺＭＰ方程式を満足すべきである。
このように、第１または第２歩行パターン変更部５７，５８またはこれら二つの組み合わせを介して人間と最大限に類似した歩行パターンが生成されると、生成された歩行パターンに対応する歩行パターン類似度（ＨＳＭ）を再び計算した後、段階１０６に進行する。
【００３１】
したがって、再び計算された歩行パターン類似度と基準パターン類似度の比較結果によって歩行パターンを変更するか、または歩行制御を進行するかを判断する。
段階１０６の判断の結果、歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きい場合、歩行制御部６０は、歩行パターン生成部５０または歩行パターン変更部５６で生成された歩行パターン、すなわち、両足１５Ｒ，１５Ｌの位置／方向値を各関節１７Ｒ，１７Ｌ，１８Ｒ，１８Ｌ，１９Ｒ，１９Ｌ，２２の角度値に変換して求めた角度値で各関節１７Ｒ，１７Ｌ，１８Ｒ，１８Ｌ，１９Ｒ，１９Ｌ，２２のアクチュエーター６２を駆動し、与えられた歩行パターンによって両足１５Ｒ，１５Ｌと胴体１２の位置／方向を制御し、ロボット１０の歩行を遂行する（１１０）。
このように、与えられた歩行パターンによってロボット１０が歩行する間に、実際のＺＭＰが目標ＺＭＰと異なるか、外乱（予想外に発生する接触や外部の力）が発生すると、ロボット１０が倒れる恐れがあるので、これを防止するために実時間安定化制御でロボット１０の安定的な歩行を遂行する。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ロボット
１１Ｒ，１１Ｌ  脚
１２  胴体
１５Ｒ，１５Ｌ  足
１７Ｒ，１７Ｌ  足首関節
１８Ｒ，１８Ｌ  膝関節
１９Ｒ，１９Ｌ  ヒップ関節
２０Ｒ，２０Ｌ  上部リンク
２１Ｒ，２１Ｌ  下部リンク
２２Ｒ，２２Ｌ  Ｆ／Ｔセンサー
２３  腰関節
２４  ヒップリンク
２４Ｇ  ヒップリンクの中心位置
５０  歩行パターン生成部
５２  歩行パターン類似度計算部
５４  比較部
５６  歩行パターン変更部
５７  第１歩行パターン変更部
５８  第２歩行パターン変更部
６０  歩行制御部
６２  アクチュエーター
６４  実時間安定化器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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